第3章：焊接.ppt

机械制造基础 机械制造基础 金工教研室制造科学与工程学院 第四讲 焊接 机械制造基础 本讲内容 一 电弧焊工艺常识二 焊条电弧焊三 特种焊接工艺方法四 金属材料的焊接性五 焊接结构设计六 连接技术 机械制造基础 关于焊接 焊接是通过加热或加压 使工件产生原子间结合的一种连接加工方法 焊接产生的历史及特点起源于一次世界大战后 凡尔赛公约 永久性连接 被焊母材之间有原子或分子扩散是现代工业的基础工艺造船 航空 锅炉 化工 机械 汽车 机械制造基础 焊接的分类 机械制造基础 一 电弧焊工艺常识 1 焊接电弧气体介质中导电现象 机械制造基础 焊接电弧的热量 热量来源于阳极43 阴极36 弧柱21 热量扩散65 85 加热熔化金属其余散失在电弧周围飞溅的金属液 机械制造基础 2 正接和反接 温度 阳极 2600K阴极 2400K电弧中心 6000K 8000K直流焊接正接法 工件温度高反接法交流焊接 两极温度均为2500K引弧电压 50 90V电弧电压 16 35V 机械制造基础 3 焊接接头的组织与性能 焊接工件上温度的变化与分布 机械制造基础 低碳钢焊接接头组织 焊缝 焊接热影响区 机械制造基础 焊缝的热影响区 1 熔合区0 1 1mm 关键2 过热区脆性比融合区更大3 正火区力学性能优于母材4 部分相变区比正火区稍差不同焊接方法热影响区宽度不同焊后正火改善接头性能 机械制造基础 4 焊缝 从熔池底向中心凝固各个方向凝固速度不同柱状铸态组织铁素体 少量珠光体杂质集中在焊缝中心 影响焊缝质量 机械制造基础 5 焊接应力与变形 极不平衡的热循环过程应力分布规律先冷受压 后冷受拉 机械制造基础 机械制造基础 机械制造基础 消除焊接应力 提高母材塑性避免焊缝交叉避免焊缝过宽过长合理焊接顺序先焊短焊缝后焊长焊缝预热焊件 振动焊缝焊后退火 机械制造基础 焊接变形 收缩变形角变形弯曲变形扭曲变形波浪变形 机械制造基础 防止焊接变形 减小焊接应力提高结构刚度对称焊缝分布焊前反变形 机械制造基础 防止焊接变形 合理焊接操作平衡温度分布利用变形 机械制造基础 防止焊接变形 焊后校正 机械制造基础 二 焊条电弧焊 焊条电弧焊过程药皮燃烧 电弧周围气体 CO2 CO H2熔池中熔渣 冷却形成渣壳保护熔池中的熔化金属 机械制造基础 1 电焊条 焊芯导电和填充焊缝焊接用钢丝低碳钢 合金结构钢 不锈钢药皮焊接过程顺利进行焊缝化学成分 力学性能 机械制造基础 焊条药皮 作用提高电弧燃烧的稳定性防止空气对熔化金属的有害作用对熔池脱氧 加入合金元素保证焊缝金属的化学成分和力学性能稳弧 造气 造渣 脱氧 合金 稀渣 粘接 机械制造基础 药皮的组成及其作用 机械制造基础 焊条分类 按化学成分分成七大类碳钢 低合金钢 不锈钢 堆焊 铸铁 铜及铜合金 铝及铝合金焊条型号E4303 E碳钢焊条43 焊缝抗拉43kgf mm20 0 1 全位置焊接 2 平焊 4 向下立焊03 3 4为组合表示焊接电流种类和药皮类型 03为钛钙型药皮 交流或直流 机械制造基础 焊条牌号 焊条牌号J422 J507J 结构钢焊条 奥氏体不锈钢A 铸铁Z 42 抗拉强度等级MPa 50 55 60 70 80 2 药皮和电流种类 机械制造基础 焊条种类 按熔渣性质酸性焊条酸性氧化物比碱性氧化物多适合各种电源 易操作 电弧稳定 成本低焊缝塑性韧性差 不宜用于重要构件碱性焊条焊缝塑性韧性好 抗冲击能力强要求直流电源 操作性差 电弧不够稳定 价格高 适于重要构件 机械制造基础 焊条选用原则 选择依据 根据焊件的化学成分 力学性能 抗裂性 耐腐蚀耐高温性能结构形状 受力情况 焊接设备条件等强原则低碳钢和低合金钢构件 根据强度 两构件强度较低者为准 酸性 碱性 根据重要性同成分原则有色金属不锈钢和耐热钢 特殊 专用焊条铸铁 碱性焊条和适当工艺 预热 机械制造基础 2 埋弧焊 埋弧焊演示 机械制造基础 埋弧焊特点 大电流 1000A 生产率高焊接质量高且稳定节约金属热量集中 可无坡口 无焊条头 飞溅少改善劳动条件无弧光 烟雾自动化程度高工艺装备复杂 适合批量生产 机械制造基础 焊丝与焊剂 焊丝焊剂决定焊缝化学成分 力学性能熔炼焊剂 陶质焊剂 机械制造基础 埋弧焊工艺 仔细下料 准备 清理 坡口 装配引弧板与引出板 焊后去掉 机械制造基础 防止烧穿 焊剂垫 垫板 机械制造基础 环缝焊接 机械制造基础 3 气体保护焊 氩弧焊 机械制造基础 气体保护焊 CO2保护焊 机械制造基础 4 等离子弧焊接与切割 电弧压缩机械压缩热压缩电磁收缩中心区域温度极高16000K焊接 切割熔点很高的金属不锈钢钛 钨 机械制造基础 5 焊接自动化 数控轨迹控制焊接质量监控 机械制造基础 焊接机器人 焊接机器人演示 机械制造基础 用电弧焊焊接钢板的问题 如图拼焊一张大钢板焊缝布置合理吗 如何改进 对称 错开如何合理安排焊缝顺序 先短后长 机械制造基础 三 特种焊接工艺方法 简略了解其它焊接方法电阻焊 摩擦焊 钎焊 电渣焊真空电子束焊接 激光焊接讨论可以用于焊接的能源形式 机械制造基础 1 电阻焊 电阻热Q I2Rt特点生产率高 焊接变形小操作简便 易实现自动 汽车外壳焊接 设备复杂 耗电量大接头形式 工件厚度受到限制点焊 缝焊 对焊 机械制造基础 点焊 局部高温焊合分流现象焊点的分布最小距离限制 机械制造基础 点焊的接头形式 硬规范软规范电极压力表面清洗接头形式 机械制造基础 缝焊 机械制造基础 对焊 机械制造基础 对焊接头形式 机械制造基础 讨论这个问题 铜及铜合金可以采用电阻焊吗 机械制造基础 2 摩擦焊 机械制造基础 摩擦焊的接头形式 机械制造基础 3 钎焊 焊接过程示意图 毛细管作用 机械制造基础 钎焊 硬钎焊450 以上 接头强度200MPa以上自行车架 工具 刀具软钎焊450 以下 接头强度70MPa以下仪表 导电元件 各种低载荷构件加热方式烙铁 火焰 电阻 感应 机械制造基础 钎焊的常见接头形式 机械制造基础 钎焊接头的比较 机械制造基础 4 电渣焊 机械制造基础 5 真空电子束焊接 机械制造基础 6 激光焊接 机械制造基础 关于铝热剂 什么是铝热剂通常把铝粉和氧化铁的混合物叫铝热剂用某些金属氧化物 如V2O5 Cr2O3 MnO2等 代替氧化铁也可以做铝热剂有什么特性难熔的金属氧化物与混合物中的铝反应时放出大量热有什么用 机械制造基础 焊接钢轨 原理铝热反应公式示例 使用铝粉可还原氧化铁Fe2O3 2Al 2Fe Al2O3还原反应产生大量的热能 无需外部的能源 就能熔化金属 可以用来焊接钢轨优点这些原料完全彻底地和合金元素混合在一起形成铝热剂 它可以组成与钢轨化学 冶金 和机械方面相匹配的焊接接头 机械制造基础 焊接钢轨 过程铝热剂被投入到一个耐火坩埚中 用点火器点燃 开始铝热反应 反应结束后 液态钢自动从坩埚底部释放到耐火模具 从而连接钢轨的两端 模具带有几何形状特征 能控制铸造和固化的过程 当铝热钢冷却下来后 进行进一步的热处理来提高它的机械特性 机械制造基础 铝热焊设备 机械制造基础 其它用途 冶炼难熔金属军事用途在炮弹导弹弹头一但装进铝热剂成分 可极大地提高杀伤力 在前苏联科学家编写的 火箭炮 一书中 谈到火箭炮弹头装药就有铝热剂的成分 在中国人民革命军事博物馆里 展品中就有美军的钢盔 卡宾枪 被烧熔在一起 除了火箭弹以外 其它炸弹没有如此大的能量 机械制造基础 选择焊接方法 自行车车架钢窗家用液化气罐主缝自行车圈电子线路板锅炉壳体钢轨对接不锈钢储罐 硬钎焊 盐浴 硬钎焊 对焊 电弧焊缝焊缝焊外边 闪光对焊软钎焊埋弧焊 电渣焊闪光对焊 铝热焊等离子弧焊接 氩弧焊 机械制造基础 四 金属材料的焊接性 焊接性概念一定的焊接工艺条件下 焊接方法 材料 参数 结构 易焊 难焊 获得优质焊接接头的难易程度对某种金属而言 其焊接性可能发生变化焊接方法 焊接材料 焊接工艺如铝合金的可焊性评定方法工艺焊接性 出现工艺缺陷的倾向使用焊接性 使用中的可靠性 力学 特殊性能要求 机械制造基础 碳钢和低合金结构钢焊接性的评估 碳当量计算公式计算结果0 6 焊接性不好 机械制造基础 小型抗裂实验法 机械制造基础 碳钢焊接 低碳钢 C 应力 变形开裂适用于 焊条电弧焊 埋弧焊 电渣焊 气体保护焊电阻焊保证焊接接头与母材等强度 即等强原则 焊条 E4313 J421 E4303 J422 E4315 J427 等埋弧焊丝 焊剂 H08A H08MnA 431 机械制造基础 碳钢焊接 中碳钢 C 0 25 0 6 焊接性变差 淬硬倾向变大工艺特点 容易开裂 冷裂纹必须预热 减小工件各个部分的温差细焊条 小电流 开坡口多层焊接焊条电弧焊 电渣焊 厚件 选择抗裂能力较强的低氢型焊条 等强度焊条 E5016 J506 E6015 D1 J607 机械制造基础 合金钢焊接 合金结构钢焊接件较少工艺与中碳钢近似低合金结构钢焊接工艺特点热影响区的淬硬倾向 合金含量大小焊接接头的裂纹倾向 冷裂纹倾向大小 含氢量 淬硬程度 应力热裂纹倾向不大 我国合金都含Mn 强度级别决定工艺低 同低碳钢低温大厚度高刚度构件 大电流 慢速 低氢焊条 退火高 焊前预热 焊后先消氢处理 再退火处理 机械制造基础 不锈钢焊接 不锈钢分类马氏体不锈钢Cr13型铁素体不锈钢Cr17型奥氏体不锈钢Cr18Ni9和Cr25Ni20型焊接性奥氏体不锈钢焊接性良好 适于电弧焊 氩弧焊等 依据同成分原则选用焊条 机械制造基础 铸铁焊补 铸铁焊接性很差 只能进行焊补焊接特点焊缝易形成白口 难以切削加工易开裂 易产生气孔金属液流动性好 只能进行平焊热焊法 600 700 C 防止开裂 补焊后可切削加工冷焊法 450 C以下 机械制造基础 非铁金属及其合金的焊接 铜及铜合金困难导热性太好 容易焊不透易氧化 易开裂 易形成气孔电阻很小 难以采用电阻焊铜合金比纯铜更难焊接氩弧焊 紫铜 青铜 气焊 黄铜 碳弧焊 钎焊 机械制造基础 非铁金属及其合金的焊接 铝及铝合金也比较困难极易氧化 Al2O3阻碍金属熔和 易夹渣导热性较好 需预热 使用大功率热源容易产生气孔 易吸收H2 高温下强度塑性很低 焊缝塌陷氩弧焊 气焊 点焊 缝焊 钎焊 机械制造基础 选择焊接方法 圆筒低压容器 Q235钢板20mm批量生产埋弧自动焊20钢板2mm批量生产缝焊45钢板6mm单件生产焊条电弧焊 紫铜板4mm单件生产氩弧焊铝合金板20mm单件生产氩弧焊不锈钢板10mm小批生产氩弧焊 机械制造基础 讨论焊接工艺问题 如图铸件焊补后还是开裂 怎么样补焊才能既不开裂 又能切削加工 机械制造基础 五 焊接结构设计 焊接结构件材料的选择焊接方法选择焊缝布置焊接头设计 机械制造基础 1 焊接结构件材料的选择 应选碳当量小于0 4的金属材料优选强度等级低的低合金结构钢优选镇静钢 脱氧完全 异种金属间焊接以焊接性较差的金属材料设计焊接工艺各种金属材料的焊接性能可查表 机械制造基础 合理选用型材减少焊缝数量 机械制造基础 2 焊缝布置 分散 分散布置焊缝 机械制造基础 2 焊缝布置 对称 机械制造基础 2 焊缝布置 对称 机械制造基础 2 焊缝布置 对称 机械制造基础 2 焊缝布置 避开应力集中的位置 机械制造基础 2 焊缝布置 避开应力集中的位置 机械制造基础 2 焊缝布置 避开应力集中的位置 机械制造基础 2 焊缝布置 避开机械加工位置 机械制造基础 2 焊缝布置 便于施焊 机械制造基础 2 焊缝布置 便于施焊 机械制造基础 2 焊缝布置 便于施焊 机械制造基础 2 焊缝布置 便于施焊 机械制造基础 2 焊缝布置 便于施焊 点焊及缝焊的设计 机械制造基础 其他布置原则 尽可能平焊避免仰焊减少横焊一次装配 尽可能完成大部分焊接 机械制造基础 3 焊接头形式 焊条电弧焊 对接接头 机械制造基础 焊条电弧焊接头形式 T型接头 机械制造基础 焊条电弧焊接头形式 角接接头 机械制造基础 焊条电弧焊接头形式 搭接接头 机械制造基础 接头过渡形式 机械制造基础 接头过渡形式 机械制造基础 电渣焊接头形式 机械制造基础 讨论如图三个焊件 这三个焊件结构设计